纖維編織網(wǎng)增強混凝土耐久性機理和測試方法

田穩(wěn)苓，孫雪峰

(河北工業(yè)大學，天津300401)

近幾十年來，混凝土結(jié)構(gòu)因材質(zhì)劣化造成過早失效以至破壞崩塌的事故在國內(nèi)外都屢見不鮮.這些混凝土工程的過早破壞，并不是因為強度不足，而是由于混凝土耐久性不良造成.纖維編織網(wǎng)增強混凝土(Textile Reinforced Concrete，TRC)是由玻璃纖維、聚合材料或碳纖維編織成網(wǎng)，之后埋入混凝土中，形成的一種新型復合建筑材料.用該材料對結(jié)構(gòu)進行耐久性加固有以下優(yōu)點:①纖維網(wǎng)格布具有良好的力學性能，可提高結(jié)構(gòu)的開裂荷載，同時，在開裂后纖維的橋連作用能夠阻止裂縫的進一步發(fā)展［1］，這樣，使得結(jié)構(gòu)不僅有很好的抗裂性能，其承載能力也會大幅度提高［2］;②TRC不需要厚重的混凝土保護層，只需必要的錨固厚度，使得TRC材料可用于制作薄壁輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)［3］;③由于材料抗裂性能突出，裂縫的控制有利于材料耐久性能的提高，雖然前期的投資大于普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，但以長遠角度考慮，用TRC材料進行“耐久性”加固后，大大減少了結(jié)構(gòu)用于維修和護理的費用，是一種經(jīng)濟有效的方法.

然而，玻璃纖維網(wǎng)增強混凝土(Glass Fiber Reinforced Concrete，GRC)在長期使用下，玻璃纖維的腐蝕和老化會導致材料性能的降低，限制了此種材料的廣泛應用.

早在20世紀80年代就有以編織網(wǎng)作為水泥基增強材料的研究，但是在該領(lǐng)域的發(fā)展進程相當緩慢，尤其是在耐久性方面研究成果較少［4］.雖然專家學者做了大量的試驗和理論研究，取得了一定的成果，但由于試驗方法各不相同，并且與實際情況相比都有一定的差距，至今還沒有一種規(guī)范規(guī)定纖維編織網(wǎng)增強混凝土耐久性試驗的標準.其相關(guān)產(chǎn)品和試驗規(guī)范也不夠完善，需要得到進一步解決.

1 纖維編織網(wǎng)混凝土長期耐久性的破壞機理

纖維編織網(wǎng)混凝土有良好的抗裂性能，但在長期使用條件下，此材料的力學性能會大幅度下降甚至完全喪失.纖維編織網(wǎng)混凝土耐久性機理的研究應追溯到玻璃纖維混凝土耐久性的研究.玻璃纖維混凝土是將短切纖維絲或纖維束亂向埋在混凝土中得到的復合建筑材料.專家們提出了很多理論假設(shè)，并做了大量試驗來證明自己的觀點.

1.1 化學侵蝕原理

Prodhomme L指出放在溶液中的玻璃纖維會通過水解作用產(chǎn)生鈉離子、鉀離子，這兩種離子會溶解硅氧四面體，形成硅酸離子或硅酸凝膠［5］.離子狀態(tài)或凝膠狀態(tài)的硅酸與溶液中的鈣離子有很高的化學親合力，同時，硅氧四面體骨架又能使玻璃纖維表面具有很強的負電性，使它能強烈地吸附溶液中的鈣離子，并且很快與其發(fā)生作用，使得玻璃纖維強度大幅度降低.

1.2 物理破壞原理

1.3 編織方式及幾何尺寸影響

TRC是多軸纖維編織網(wǎng)和精細混凝土的結(jié)合.纖維編織網(wǎng)一般沿主應力方向布置.Peled A和Bentur A指出，不能簡單地認為編織物就是連續(xù)的紗線被固定在一起的方式，編織網(wǎng)紗線的型式、編織網(wǎng)的織造方法和結(jié)構(gòu)形式對TRC的性能有著重要影響.例如，目前采用較多的機織織網(wǎng)TRC，雖然紗線的波紋可以提高織網(wǎng)與水泥基體的黏結(jié)作用，但也會使紗線的強度在縱橫兩向因波紋角度而減小，且受力時在交叉點位置容易產(chǎn)生應力集中，波紋和交叉點更是易發(fā)生腐蝕不均的位置［7］.

總之，以二氧化硅為主要成分的玻璃纖維，在堿性環(huán)境下，硅氧鍵容易發(fā)生斷裂，進而使得纖維發(fā)生腐蝕效應，而水泥熟化時產(chǎn)生的氫氧化鈣恰好形成了這樣一種堿性環(huán)境［8］.同時，在玻璃纖維束內(nèi)生成的硅酸鈣結(jié)晶也會損傷纖維并使其逐漸失去韌性而變脆.并且編織網(wǎng)自身的幾何特征也會影響材料的耐久性能.

2 編織網(wǎng)增強混凝土耐久性的改進方法

從編織網(wǎng)增強混凝土長期耐久性破壞機理出發(fā)，改進此種材料的方法大致可歸為以下3種.

1)降低水泥基體的堿性，即配制低堿度水泥或?qū)ζ胀ü杷猁}水泥進行改性處理(添加除堿劑).在水泥基體方面，我國將硬石膏摻入普通硅酸鹽水泥中，研制出Ⅰ型低堿度硫鋁酸鹽水泥［9］.該水泥除了低膨脹性和良好的密實性外，最主要的特點是低堿性.該水泥漿的濾液pH值為10.5左右，而普通硅酸鹽水泥的pH值高達12.5［10］，低堿度硫鋁酸鹽水泥的OH－濃度相當于普通硅酸鹽水泥的1/100.隨后，中國建材研究院等相關(guān)部門在此基礎(chǔ)上進行改進，研制出磷石膏低堿度硫鋁酸鹽水泥、玻纖水泥等新型水泥［9］.國內(nèi)外通過對普通硅酸鹽水泥進行改性研究發(fā)現(xiàn)，在硅酸鹽水泥中摻加高火山灰活性的礦物細摻料，比如硅灰、粉煤灰、偏高嶺土等，可以有效降低水泥的堿性［11－13］.

2)通過改變玻璃纖維的成分，增加玻璃纖維自身的抗堿性能.英國Pilkington玻璃公司在玻璃纖維的化學組成中加入了氧化鋯、氧化鈦等物質(zhì)，制出了抗堿玻璃纖維，該公司將其產(chǎn)品命名為“賽姆菲爾”(Cem－Fil).鋯、鈦元素的加入使得玻璃纖維中的硅氧結(jié)構(gòu)更加完善，降低了纖維與堿性液體反應的可能性，從而增強了纖維自身的抗堿性能［14］.一般而言，纖維中的鋯含量越高，纖維的耐久性能越好.隨著制作技術(shù)的發(fā)展，纖維中鋯元素含量也不斷增長.國內(nèi)外先后研制出ER－13耐堿玻璃纖維、JB－Ⅱ耐堿玻璃纖維以及Cem－Fil2耐堿玻璃纖維，含鋯率可達 16.7%以上［15］.

3)對玻璃纖維進行被覆處理，在纖維表面添加涂層等，起到保護膜的作用.根據(jù)玻璃纖維不同的使用環(huán)境采用不同的涂層材料.常用的涂層材料主要有天然樹脂、合成樹脂、橡膠、塑料等有機高分子材料以及無機膠黏劑類材料.玻璃纖維織物的耐久性能可以通過涂覆不同的涂層材料來提高.例如，可以涂覆抗堿的聚烯酸酯類，從而使玻璃纖維織物應用于建筑裝飾及建筑補強加固方面［16］.

3 纖維編織網(wǎng)增強混凝土耐久性試驗方法

3.1 GRC耐久性試驗方法

就化學成分而言，由于纖維編織網(wǎng)增強混凝土(TRC)與玻璃纖維混凝土(GRC)所用的材料基本相同，因此現(xiàn)有的TRC耐久性試驗方法大多是基于GRC耐久性方法獲得的.

3.1.1 水泥漿液浸泡加速老化法

將玻璃纖維在較高溫度(50～80℃)的水泥漿液中浸泡一定時間.通過測定纖維強度的變化或漿液化學成分的變化來判定纖維的腐蝕程度［17］.該方法操作方便簡單，但只考慮水泥漿液對玻璃纖維的化學腐蝕作用，忽略其他因素對纖維強度的影響，并且單純用水泥漿液模擬玻璃纖維的工作環(huán)境，也與實際有一定差距.

3.1.2 SIC 試驗

該方法將纖維原絲埋于混凝土試件的中部后澆注水泥漿，并使試件存放在不同的環(huán)境中，然后在纖維原絲的兩端施加拉力使之從混凝土試件中拔出，以玻璃纖維本身抗拉強度的變化來評定玻璃纖維有無受到侵蝕［18］.該方法是假設(shè)玻璃纖維混凝土在長期潮濕環(huán)境下抗拉強度和抗彎強度的下降完全是由水泥漿對玻璃纖維的化學侵蝕造成的［19］.最后根據(jù)阿洛尼烏斯方程推算出材料的耐久程度［20］.

3.2 TRC耐久性試驗方法

由于GRC中纖維在水泥基體中是亂向分布的，使得試驗結(jié)果具有不確定性或相差較大，大多用于化學方法評價玻璃纖維混凝土的耐久性能.而TRC中網(wǎng)格布是二維或三維定向分布的，這就使得材料性能的穩(wěn)定性大幅度提升.

3.2.1 玻璃纖維網(wǎng)格布法

將玻璃纖維編織成網(wǎng)格布埋入水泥基材料中，制成小型構(gòu)件.將構(gòu)件放入蒸氣室中(不同溫度和濕度)進行加速老化，將老化后的構(gòu)件進行拉伸試驗，測試構(gòu)件強度的改變.強度下降相對小的水泥基更適合與抗堿纖維匹配［11，21－22］.這種方法能夠更加準確地反映纖維在水泥基材中的老化程度，原因是采用單向定量配置玻璃纖維或者網(wǎng)格布能夠更加準確地控制纖維含量和纖維取向，在很大程度上消除由于每個試件中纖維含量差異和纖維取向系數(shù)差異而造成的試驗結(jié)果偏差，并且將纖維網(wǎng)做成小型構(gòu)件，而不是浸泡在溶液或水泥漿液中，這樣的環(huán)境更接近實際情況［15，23］.但構(gòu)件的制作需要一定的精度，操作相對復雜.

3.2.2 有限循環(huán)荷載法

對纖維編織網(wǎng)混凝土進行有限循環(huán)荷載作用，每次循環(huán)中，最大荷載增加5 MPa，最小荷載保持1 MPa不變.求出荷載和應變的曲線圖.在曲線中，將各個循環(huán)的最大荷載和最小荷載對應的點相連，所得直線的斜率就是該次循環(huán)的彈性模量E.再將每次循環(huán)所得的E繪制成曲線，可以看出在循環(huán)荷載下，構(gòu)件彈性模量的變化情況［24－25］.這種方法的優(yōu)點在于操作簡單，能夠很好地反映出循環(huán)荷載對TRC構(gòu)件的影響，但試驗周期較長且忽略了化學等其他因素的影響.

3.2.3 干濕、凍融循環(huán)試驗

對纖維編織網(wǎng)混凝土進行干濕、凍融循環(huán)試驗，測量循環(huán)后試件的強度及試件開裂后的彈性模量.繪制出循環(huán)次數(shù)和強度、彈性模量的坐標圖，可以看出循環(huán)次數(shù)與各個參數(shù)的走向的關(guān)系［24］.這種方法不考慮混凝土基體對纖維的腐蝕作用，只考慮基體與纖維束之間的物理相互作用.

4 結(jié)語

編織網(wǎng)增強混凝土具有良好的力學性能，具有質(zhì)輕、耐酸鹽腐蝕、高熔點及耐高溫不收縮性、良好的延性和能量吸收能力、體積小、方便施工等優(yōu)點，已廣泛應用于土木、環(huán)境、藝術(shù)等諸多領(lǐng)域.現(xiàn)階段其耐久性老化機理主要分為化學侵蝕原理和物理破壞原理.對此分別采用降低混凝土堿性和增強纖維自身抗堿能力的方法來提高TRC的耐久性能，并以GRC耐久性試驗方法為基礎(chǔ)，應用化工動力學等相關(guān)知識來研究TRC的耐久性問題.但對于此材料的耐久性研究還有幾點不足.

1)現(xiàn)有的試驗，大多是在實驗室控制單一變量來研究纖維編織網(wǎng)增強混凝土的耐久性能，沒有考慮各個條件可能具有的相關(guān)性，也沒有把物理與化學之間的耦合作用加以分析，而構(gòu)件在實際工作中往往是受多種條件共同影響的.

2)TRC是一種復合建筑材料，并且其耐久性問題是一個復雜的過程，現(xiàn)有的研究沒有將它分齡期、分階段加以分析，而在實際中，在不同階段其老化機理是不同的.

3)現(xiàn)有的TRC耐久性研究大多以定性成果為主，缺少本構(gòu)關(guān)系模型的建立和定量的計算成果.

［1］ Peled A.Confinement of damaged and non-damaged structural concrete with FRP and TRC sleeves［J］.ASCE J Comp Constr，2007，11(5):514 －522.

［2］鄧燕華.纖維混凝土的研究進展［J］.洛陽理工學院學報:自然科學版，2009，19(4):18 －22.

［3］ Hegger J，WillN，RuergK.Textile reinforced concretes—a new composite material［C］∥Grosse，Christaian U.Advances in Construction Materials 2007.Berlin:Springer Berlin Heidelberg，2007.

［4］尹世平.TRC基本力學性能及其增強鋼筋混凝土梁受彎性能研究［D］.大連:大連理工大學，2010.

［5］張丕興，許溫葭，盧堡山，等.低堿度水泥對中堿玻璃纖維作用機理的研究［J］.硅酸鹽學報，1981，9(3):309－317.

［6］ Majumder A J.RILEM SymP［J］.Fibre Reinfored Cement and Concret，1975(2):279.

［7］ Peled A.Pretensioning of fabrics in cement-based composites［J］.Cement and Concrete Research，2007，37(5):805－813.

［8］ Orlowsky J，Raupach M.Durability model for AR-glass fibres in textile-reinforced concrete［J］.Materials and Structures，2008，41(7):1225 －1233.

［9］張丕興，張成誠.用于硫鋁酸鹽水泥混合材的試驗研究［J］.水泥工程，2011(1):1 －5.

［10］張丕興.玻纖水泥發(fā)明之“夢想成真”［J］.中國建材，2003(5):39.

［11］ Marko Butler，Viktor Mechtcherine，Simone Hempel.Durability of textile reinforced concrete made with AR glass fibre:effect of the matrix composition［J］.Materials and Structures，2010(43):1351 －1368.

［12］陳雅斕，李玉香.堿－粉煤灰－礦渣水泥作 GRC膠結(jié)材的試驗研究［J］.西南科技大學學報，2005，20(2):38－41.

［13］陳益蘭.偏高嶺土替代硅灰配制高性能混凝土［J］.硅酸鹽學報，2004，32(4):25 －29.

［14］ Heidi Cuypers1，Jeanette Orlowsky，Michael Raupach，et al.Durability aspects of AR-glass-reinforcement in textile reinforced concrete，Part 1:Material behaviour［J］.Materials and Structures，2008(13):382 － 388.

［15］崔艷玲.GRC耐久性及其機理研究［D］.北京:中國建筑材料科學研究總院，2007.

［16］李陶琦.玻璃纖維加工用環(huán)氧改性醋丙樹脂乳液合成研究［J］.玻璃纖維，2006，5(6):4 －7.

［17］許溫葭，盧保山，張丕興，等.I型低堿度水泥的研究與應用［J］.硅酸鹽學報，1986，14(2):233－239.

［18］曹巨輝，汪宏濤.玻璃纖維增強水泥耐久性研究的進展［J］.建筑技術(shù)，2004，35(4):266 －268.

［19］ Glinicki M A，Brandt A M.Quantification of glass fibrecement interfacial properties by SEM-based push-out test［C］∥Reinhardt H W，Naaman A E.Proc 5th int RILEM workshop high performance fiber reinforced cement composites.Mainz:Proc 53 RILEM，2007.

［20］陳尚，葛敦世.耐堿玻璃纖維在普硅水泥中長期強度的預測［C］∥中國硅酸鹽學會房建材料專業(yè)委員會第四屆年會論文集:纖維增強水泥及其制品分冊.南京:中國建材工業(yè)出版社，1987.

［21］ Butler M，Mechtcherine V，Hempel S.Experimental investigations on the durability of fibre-matrix interfaces in textile-reinforced concrete［J］.Cement ＆ Concrete Composites，2009，31:221 －231.

［22］ Butler M.Zur dauerhaftigkeit von verbundwerkstoffen aus zementgebundenen matrices und alkaliresistenten glasfaser-multifilamentgarnen［J］.Technische Universit－t Dresden，2009(4):61 －66.

［23］ Peled A，Mobasher B.Tensile behavior of fabric cementbased composites:pultruded and cast［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，ASCE，2007，19(4):340 －348.

［24］ Cuypersa H，Wastielsa J，Itterbeecka P Van，et al.Durability of glass fibre reinforced composites experimental methods and results［J］.ELSEVIER，2006(37):207 －215.

［25］ Curbach M，Jesse F.Eigenschaften und Anwendung von Textilbeton［J］.Beton-und Stahlbetonbau 2009，104(1):9－16.